सामग्रीची ओळख: निसर्ग आणि गुणधर्म (भाग 1: सामग्रीची रचना)

प्रा.आशिष गर्ग

भौतिक विज्ञान आणि अभियांत्रिकी विभाग

इंडियन इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजी, कानपूर

व्याख्यान – २७

नॉन-क्रिस्टलीय सॉलिड्स चष्म्याची रचना

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: ००:२०)

या व्याख्यानात आपण स्फटिकाच्या घनपदार्थांच्या रचनेवर चर्चा करू आणि आपण चष्म्यासह सुरुवात करू.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: ००:३३)

मी तुम्हाला आधीच्या दोन व्याख्यानांची उजळणी देतो. म्हणून, मागील दोन व्याख्यानांमध्ये, आम्ही आयनिकली बॉन्ड सॉलिड्सच्या संरचनांवर चर्चा केली जी मुळात सिरॅमिकदेखील आहेत आणि त्यापैकी बरेच ऑक्साइड आहेत, परंतु कार्बाइड्स, क्लोराइड्स, हॅलिड्स इत्यादी साहित्य आहेत. आम्ही पाहिले की या रचना सिन्स आणि अॅनिऑनएकत्र करण्यावर आधारित आहेत आणि संभाव्य ऊर्जेच्या निर्मूलनामुळे, ते क्रिस्टल संरचना बनविण्याकडे कल करतात ज्यात सिन्स आणि अॅनिऑन ची व्यवस्था ऑर्डर केलेल्या पद्धतीने केली जाते. तर, असे घडते की अॅनिऑन मोठे असल्याने अॅनिऑन सामान्यत: बेस जाळी तयार करतात. तर, ते साहित्यात बेस जाळी तयार करतात; उदाहरणार्थ, ही एफसीसी आधारित रचना असू शकते, ती एचसीपी आधारित रचना असू शकते, किंवा ती नॉन-एफसीसी असू शकते, परंतु घन किंवा ती नॉन-क्युबिक देखील असू शकते.

या तीन श्रेणींमध्ये अॅनिऑन बेस जाळी तयार करतात, परंतु त्यांनी स्वत: ला चेहरा केंद्रित घन जाळीच्या स्वरूपात किंवा षटकोनी क्लोज पॅक केलेल्या जाळीच्या स्वरूपात पॅक केले. या सिन्स मध्ये अंतराकार आहे, जे सामान्यत: ऑक्टेहेड्रल आणि टेट्राहेड्रल असतात, परंतु ते इतर काही प्रकारचे आंतरजातीय पेशी असू शकतात जे त्यांनी त्यांच्या त्रिज्या गुणोत्तरानुसार व्यापले होते. म्हणून, आम्ही चर्चा केली की त्रिज्या गुणोत्तर कोणत्या आंतरिकतेपर्यंत जाईल आणि परिणामी, आपण विविध संरचना तयार करता.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: ०२:३५)

आम्ही घन श्रेणीतील विविध पदार्थांकडे पाहिले, आम्ही सोडियम क्लोराइड आणि झिंक सल्फाइड किंवा झिंक ब्लेंडसंरचना, कॅल्शियम फ्लोराइड-आधारित संरचना आणि स्पिनेल संरचना, जे एबी आहेत₂ओ₄ एक प्रकारची रचना, आणि मग आम्ही पेरोवस्कीट, सीएससीएल इत्यादी इतर काही रचना पाहिल्या. आणि मग आम्ही वायबीको, एलएससीओ सारख्या काही नॉन-क्युबिक संरचनापाहिल्या, या संयुगांमुळे टेट्रागोनल, ऑर्थोरहोमबिक युनिट पेशी बनतात आणि मग आम्ही झिंक सल्फाइड-आधारित वुर्टझिट संरचनेपासून सुरू झालेल्या एचसीपी संरचनांकडे पाहिले आणि मग आम्ही कॉर्डुम आधारित संरचना आणि नंतर इल्मेनिट, लिथियम निओबेट इत्यादी कॉर्डुमचे व्युत्पन्न पाहिले आणि मग आम्ही रुटाइल संरचना पाहिली. तर, या अगदी सामान्य रचना होत्या ज्या आपण आयनिक घनांमध्ये समोर येतात. तथापि, असे काही ऑक्साइड आहेत ज्यात सहसंयोजी बंधनाचा मोठा अंश आहे आणि ते नॉन-क्रिस्टलरी स्वरूपात स्फटिकीकरण करतात.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: ०४:१०)

या व्याख्यानात, आम्ही अशा साहित्यापासून सुरुवात करू जे नॉन-क्रिस्टलसामग्री आहेत ज्याची लांब पल्ल्यापेक्षा आवर्ती रचना नाही. त्यांना कमी पल्ल्याची, सामान्यत: काही नॅनोमीटरच्या क्रमाने मासिक पाळी असू शकते. तर, त्यांच्यात कमी पल्ल्यापेक्षा जास्त कालावधी असू शकतो, परंतु लांब पल्ल्याच्या अंतरापेक्षा जास्त कालावधी नाही. उदाहरणार्थ, कमी दहा आणि शेकडो नॅनोमीटर पहा आणि मासिक पाळी मोडते.

तर, त्यांच्यात कमी पल्ल्याची पाळी असू शकते, परंतु लांब पल्ल्याच्या कालावधीत त्यांची पीरिएसिटी नाही. परिणामी, त्यांच्याकडे बाँडची लांबी वेगवेगळी असते, म्हणून जर आपण कमीत कमी उर्जा पाहिली तर ती अशी काहीतरी जाते. तर, ही संभाव्य ऊर्जा आहे आणि हे अंतर आहे. जर पदार्थाची बाँड लांबी वेगवेगळी असेल, तर याचा अर्थ असा आहे की आपल्याकडे रोखे ऊर्जा वेगवेगळी असेल आणि जर आपल्याकडे रोखे ऊर्जा वेगवेगळी असेल, तर आपल्याकडे अनेक तापमान आहे ज्यावर वितळणे होते. तर, तिथेच त्यांनी वितळण्याच्या घटनेचा खूप विस्फारकेला आहे.

आणि, हे मुळात काचेसारखे वर्तन असलेल्या सामग्रीचे वैशिष्ट्य आहे आणि परिणामी त्यांच्याकडे टीजी नावाचे काहीतरी आहे, ज्याला काचेचे संक्रमण तापमान म्हणून म्हणतात. तर, मी काचेच्या निर्मितीच्या थर्मोडायनॅमिक्स आणि कायनेटिक्सच्या तपशीलात प्रवेश करणार नाही, परंतु हे साहित्य स्वत: ला क्रिस्टललाइन स्वरूपात स्फटिकस्वरूपात स्फटिकी करत नाही. परिणामी, ते अ-आवर्ती काचेच्या रचना असलेल्या रचना तयार करतात.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: ०६:५७)

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: ०६:५९)

तर, हा एक नैसर्गिक ग्लास आहे जो उल्कापिंडाच्या प्रभावामुळे तयार होतो. याला मोल्डाव्हिट म्हणून म्हणतात, त्यात या किंचित हिरव्या पोतावर आहे आणि त्यात एक प्रकारची पारदर्शकता फ्लेक्स आहे. तर, त्यात नैसर्गिकरित्या मजबूत केलेली रचना आहे, जी काचेची रचना आहे. आणखी एक काच, ज्याला ट्रिनिटायट म्हणतात, त्रिसूत्री अण्वस्त्र चाचणीद्वारे बनवले जाते. तर, पुन्हा त्यात ठोसीकरण झाले आहे ज्यामुळे आवर्ती रचना तयार होत नाही.

त्याचप्रमाणे या चष्म्याचे भरपूर अनुप्रयोग आहेत. उदाहरणार्थ, जेव्हा तुम्ही या चष्म्यात अशुद्धता घालता तेव्हा या अशुद्धीत्याला वेगवेगळे रंग देतात. तर, आपण पाहू शकता की हे विविध रंग चष्म्याचे आणि ते सर्व पारदर्शक आहेत. आपण त्या गुणवत्तेचा चष्मा पाहू शकता जे कमी तापमानात काच वितळत असल्याने त्यात वितळणाऱ्या तापमानाची विस्तृत श्रेणी असते. परिणामी, ते विविध आकारात टाकले जाऊ शकते आणि उडवले जाऊ शकते. उदाहरणार्थ, स्लाइडमध्ये दर्शविलेल्या काचेतून एक गुंतागुंतीचा आकार. हे पारदर्शक तसेच अपारदर्शक असू शकते, जे आपण त्याच्या आत काय आहे यावर अवलंबून आहे. तर, काच हे एक अत्यंत महत्त्वाचे आणि अतिशय आकर्षक साहित्य आहे आणि काचेच्या घनीकरणाच्या घटना फारशा चांगल्या प्रकारे समजत नाहीत आणि त्याचे भौतिकशास्त्र अजूनही गोंधळात टाकणारे आहे.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: ०८:३५)

तर, आपण पाहू शकता की ही एक पारदर्शक खिडकीची काच आहे हे एक चित्र आहे ज्यावर आपल्याकडे काचेचे आवरण आहे, हा पिंजऱ्याचा रोमन पिंजऱ्याचा कप आहे जो इ.स.च्या चौथ्या शतकातील आहे. तर, आपण पाहू शकता की चौथ्या शतकात आपल्याकडे चष्मा होता. तर, काचेची गोष्ट अशी आहे जी बर् याच काळापासून अस्तित्वात आहे. मानव त्यांचा विविध प्रकारच्या अनुप्रयोगांमध्ये वापर करीत आहेत. तथापि, ही अशी गोष्ट आहे जी स्फटिकपदार्थांच्या तुलनेत धातूंइतकी समजली जात नाही.

(स्लाइड टाइम संदर्भित करा: ०९:०५)

या चष्म्याचा विविध प्रकार नॉन-क्रिस्टलली सिलिका आहे. तर, चष्म्याचा वापर विविध प्रकारच्या अनुप्रयोगांमध्ये केला जातो ज्याचा वापर जहाजे आणि खिडक्या ंसारख्या गोष्टी तयार करण्यासाठी केला जातो जसे आपण दररोज च्या वस्तू, मातीच्या भांड्यांवर पाहतो. बहुतेक वेळा या काचेचा मूलभूत घटक सिलिका, सिओ असा होतो₂. तर, सिओ₂ या चष्म्याचा मूलभूत बिल्डिंग ब्लॉक आहे आणि हा अरूप टप्पा मुळात आहे, जो आपल्याकडे खोलीच्या तापमानात आहे तो घनीकरणावर स्फटिकित होतो. जर द्रव एकाच संरचनेत घनीकरणावर गोठले असेल.

आपण काचेत भरपूर अशुद्धता जोडतो, उदाहरणार्थ, बोरॉन ऑक्साइड, सोडियम ऑक्साइड, पोटॅशियम ऑक्साइड, या सर्व अशुद्धी काचेत जोडल्या जातात जेणेकरून व्हिस्कोसिटी मध्ये बदल होईल आणि ते मऊ किंवा कठीण होईल आणि या अशुद्धतेमुळे काचेचे संक्रमण तापमान, कोणत्या वर्गात मऊ होईल आणि मोठ्या काचेला वितळणार नाही.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: १०:३०)

मी म्हटल्याप्रमाणे चष्म्यातील अत्यावश्यक मुद्दा असा आहे की, वेगवेगळ्या लांबीचे बंध आहेत आणि हे वेगवेगळे लांबीचे बंध आहेत, जसे मी तुम्हाला मागील स्लाइडमध्ये सांगितले होते, उदाहरणार्थ, या रोख्यांची वेगवेगळी लांबी, उदाहरणार्थ, हा एक संभाव्य ऊर्जा कट आहे. तर, हे ई विरुद्ध आर आहे, जर आपल्याकडे वेगवेगळ्या लांबीचे बंध असतील, तर आपण आर म्हणू या₁, आर₂, आर ३, आर₄, आर. स्फटिकसामग्रीच्या बाबतीत आपल्याकडे मिनिमा आर_ओआणि सगळीकडे हेच आहे. चष्म्याच्या बाबतीत असे घडते की आपल्याकडे बाँड लांबीची ही गर्दी असल्याने, याचा अर्थ आपल्याकडे आर. शी संबंधित ऊर्जा आहे₁ ई आहे₁, आर.₂ ई आहे₂यासाठी, हे ई आहे₃ यासाठी पुन्हा ई आहे₄आणि हे पुन्हा ई आहे₅.

तर, तुमच्याकडे ही शक्ती आहे आणि या शक्तींचा अर्थ असा होईल की आपल्याकडे काही अर्थाने एकाधिक आहे हे एकाधिक वितळणारे बिंदू असल्यासारखे आहे आणि म्हणूनच बर् याच वेळा चष्म्याचे वर्तन विस्फारलेले असते आणि म्हणूनच घनीकरण एकाच तापमानापेक्षा अनेक तापमानांवर होते आणि यामुळेच ग्लास संक्रमण तापमान म्हणून नावाचे तापमान असलेले चष्मे तयार होतात जे आहे. टी म्हणून ओळखले जाते_जी.

असे अनेक दोन-तीन तापमान आहेत ज्यात सामान्यत: चष्म्यांच्या संदर्भात बोलले जाते, आपण त्यात प्रवेश करणार नाही. मुक्त खंडाची संकल्पना आहे, वगैरे. तर, आपण कदाचित ते वगळू, परंतु मला फक्त यावर भर द्यायचा होता की हेच कारण आहे की आपल्याकडे विविध प्रकारच्या बाँड लांबी आहेत आणि विविध प्रकारच्या बाँड लांबीमुळे सामग्रीला अनेक तापमानापेक्षा जास्त दृढ होण्यास भाग पाडले जाते.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: १२:५५)

तर, आता मला पुन्हा नोट्सकडे जाऊ द्या. तर, काचेतील मूलभूत बिल्डिंग ब्लॉक विविध चष्मयामध्ये आहे, त्या सर्वांमध्ये नाही, परंतु सर्वात जास्त विविध वर्गांमध्ये एसआयओ आहे₂ ज्याला सिलिका म्हणून संबोधले जाते आणि एकूणच सिलिकाची रचना अशी आहे की त्याचे जवळजवळ ५०% आयनिक बाँड आणि ५०% सहसंयोजी बंध आहेत. आता, जर तुम्ही सी चे त्रिज्या गुणोत्तर घेतले तर⁴⁺ आणि ओ^2-, त्रिज्याचे प्रमाण जवळजवळ ०.२९ आहे, हे ०.२२५ ते ०.४१४ दरम्यान येते. परिणामी, त्यात टेट्राहेड्रल असणे आवश्यक आहे की टेट्राहेड्रल समन्वय असणे पसंत केले जाते.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: १४:१५)

तर, तुमच्याकडे सिलिकॉनचा हा अणू असणार आहे आणि येथे एका ऑक्सिजनने वेढलेला आहे येथे दुसरा ऑक्सिजन, येथे ऑक्सिजन आणि येथील ऑक्सिजन. आता जर तुम्ही शुल्काची बेरीज पाहिली, तर सिलिकॉनमध्ये 4 प्लस आणि ऑक्सिजनमध्ये 2 वजा आणि 2 वजा ते 4, बरोबर आहे. तर, या टेट्राहेड्रलवरच शुल्क असेल, जे -4 आहे. म्हणून, जर आपण आता हे एकयुनिट म्हणून बनवले, तर या युनिटमध्ये 4 वजा शुल्क असेल, याचा अर्थ असा आहे की, टेट्राहेड्रल त्यावर टिकू शकत नाही, त्याला इतर टेट्राहेड्रलशी संपर्क साधावा लागेल. तर, ते चार्ज-न्यूट्रल बनते, म्हणून मुळात आपण असे म्हणू शकता की ते विद्युतदृष्ट्या असंतुलित आहे. तर, मी असे म्हणू शकतो. तर, हे वजा शुल्क आहे ज्यासाठी विद्युत असमतोल आवश्यक आहे आणि यासाठी पॉलिहेड्रासामायिक करणे आवश्यक आहे.

आता, हे सामायिक कसे होते, याचा अर्थ ऑक्सिजन, जो काही ऑक्सिजन आहे तो पॉलिहेड्रादरम्यान सामायिक करावा लागेल? तर, हे कसे कार्य करते आणि हे टेट्राहेड्रल आहे जेथे आपण असे म्हणू शकता की या टेट्राहेड्रलचे वैशिष्ट्य आपण सिओ येथे वैशिष्ट्यीकृत करू शकता₄, ४ वजा टेट्राहेड्रा. म्हणून, जर मी टेट्राहेड्रल बनवले आणि त्या टेट्राहेड्रलच्या मध्ये. तर, या टेट्राहेड्रलच्या दरम्यान, आपल्याकडे असेल. तर, यामुळे येथे एक बंधन तयार होईल, येथे बंध होईल, केंद्रात बंध करा तुम्हाला सिलिकॉन आयन मिळेल.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: १६:५६)

आता, कोपऱ्याच्या वाटणीद्वारे टेट्राहेड्रल ज्या प्रकारे सामायिक करू शकते, पॉलिहेड्रा फेस शेअरिंगद्वारे होऊ शकते. खरं तर, कॉर्नर-शेअरिंगनंतर, हे एज-शेअरिंग असेल कारण सिट्समधील अंतर बदलण्याच्या पद्धतीनुसार चेहरा सामायिक करण्याच्या एज-शेअरिंग कॉर्नर-शेअरिंगवर काय नियंत्रण ठेवेल.

उदाहरणार्थ, जर तुम्ही टेट्राहेड्रल सामायिक करणाऱ्या चेहऱ्याकडे पाहिले तर तुमच्याकडे टेट्राहेड्रल आहे आपण असे म्हणू या हे सर्व ठीक आहे आणि जर आपण याच्या वर आणखी एक टेट्राहेड्रल बसवला तर हा चेहरा सामायिक केला जाईल. तर, हा एक सिलिकॉन अणू इथे बसला आहे आणि दुसरा सिलिकॉन अणू इथे कुठेतरी बसतो. तर, सिलिकॉन अणू सी-सी अंतरामधील हे अंतर आहे आणि हे फेस शेअरिंग आहे. म्हणून, जर मी ते असे काढले, तर ते कसे होणार आहे हे असेच काहीतरी असेल. तर, चेहरा सामायिक करण्यासाठी बाजूने एक टेट्राहेड्रल येत आहे.

तर, हे आर._{सी-सी} उदाहरणार्थ, तुमच्याकडे जे असेल त्याच्या तुलनेत एज-शेअरिंग. तर, जर तुमच्याकडे धार सामायिक असेल तर हा तुमचा सिलिकॉन अणू आहे, तर आपण म्हणू या की हा तुमचा सिलिकॉन अणू आहे, हे तुमचे ऑक्सिजन अणू आहेत. तर, दोन उपस्थित राहणार आहेत आणि एक येथे कुठेतरी उपस्थित राहणार आहे. तर, आपल्याकडे तसे टेट्राहेड्रल असणार आहे आणि हे दुसरे टेट्राहेड्रल असेच कुठेतरी उपस्थित राहणार आहे.

तर, हा आणखी एक सिलिकॉन अणू आहे आणि इतर दोन ऑक्सिजन अणू येथे कुठेतरी असणार आहेत आणि येथे, उदाहरणार्थ, टेट्राहेड्रल ठीक आहे, हे धार-सामायिक आहे. तर, ही सामायिक गोष्ट आहे आणि या बाबतीत हा सामायिक चेहरा आहे. हा एक सामायिक चेहरा आहे, ही सामायिक धार आहे. तर, आपण पाहू शकता की हे पुन्हा या दोन अणूंमध्ये अंतर आहे. तर, आर._{सी-सी} हे आपण चेहरा म्हणू या, हे आपल्याला धार म्हणू द्या आणि मग तिसरे कॉन्फिगरेशन जे शक्य होणार आहे ते म्हणजे आपल्याकडे सिलिकॉन अणू आहे, सिलिकॉन अणू आपल्याकडे एक ऑक्सिजन अणू असणार आहे जो त्या दोघांसाठी सामान्य आहे आणि इतर अणू निश्चितपणे उपस्थित राहणार आहेत. तर, हे अंतर आता पुन्हा आमचे सिलिकॉन-सिलिकॉन आहे आणि हे पुन्हा ऑक्सिजन आहे हे तुमचे कोपरा सामायिक आहे.

तर, हे आपल्याला पुन्हा आर_{सी-सी}, चेहऱ्याची देवाणघेवाण लहान असल्यास त्यापेक्षा लहान असेल, म्हणून याचे परिणाम सिशनिक रेक्लमेशनच्या बाबतीत होतात. आपण पाहू शकता की चेहऱ्याने सामायिक पॉलिहेड्रल असल्यास, आणि कोपरा आणि धार सामायिक करण्याच्या बाबतीत त्याच्या तुलनेत अधिक मजबूत सिशनिक तिरस्कार होणार आहे.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: २०:५७)

म्हणून, एकंदरीत, सिडेनिक प्रतिस्पंदन कमी करण्यासाठी, म्हणून विभक्त होणे मोठे असणे आवश्यक आहे. परिणामी, पॉलिहेड्राच्या फेस शेअरिंगपेक्षा कॉर्नर किंवा एज-शेअरिंगला प्राधान्य दिले जाते. तर, जसे सिओच्या बाबतीत घडते₄सिलिका टेट्राहेड्रल कॉर्नर शेअरिंगला प्राधान्य दिले जाते परंतु ते ठीक होणार आहे याची खात्री नसते.

तर, आपण प्रथम स्फटिकातील सिलिका संरचना पाहू या आणि मग आपण सिलिका संरचनांच्या इतर प्रकारांकडे पाहूया.

(स्लाइड वेळ संदर्भित करा: २२:१८)

तर, पहिली गोष्ट म्हणजे जर तुम्ही ते हळूहळू थंड केले आणि जर आपण योग्य परिस्थिती प्राप्त केली तर ती एक रचना बनवेल, आपल्याकडे येथे जे आहे ते सिलिकॉन टेट्राहेड्रल आहे. तर, आपण असे म्हणू या की हा टेट्राहेड्रल टॉप व्ह्यू आहे, दुसरा टेट्राहेड्रल अशा प्रकारे त्याच्याशी जोडलेला आहे हा दुसरा टेट्राहेड्रॉन आहे. तिसऱ्या टेट्राहेड्रलमध्ये अशा पद्धतीने आणि पुन्हा चौथा टेट्राहेड्रल आहे. आणि, हे येथेच एका मुलाबरोबर सामायिक केले जाणार आहे आणि मग मी येथे एक घेणार आहे आणि हे किंवा दुसर् या मार्गाने असेल, असे. तर, हे असेच चालू राहणार आहे आणि जर आपण चालू ठेवले तर. हे थ्रीडी आहे आणि तुम्ही सिलिकेट नेटवर्क तयार कराल.

तर, हे असे रूप आहे की हे सिलिक रेणूंचे षटकोनी चादरी आहेत ज्या स्फटिकाच्या स्वरूपात तयार केल्या जातात आणि हेक्सागॉनल थरांचा आवर्ती नमुना तयार करतात जे विकृत होतात. तर, त्यांनी बनवलेला हा पहिला स्ट्रक्चर क्रिस्टललाइन फॉर्म आहे. जर तुम्ही हे तोडले, तर बंध बदलण्यासाठी येथील किंवा इकडे किंवा येथे किंवा येथे कोपरे आणि जर आपण हे यादृच्छिक पद्धतीने अधिक प्रमाणात घडवून आणले तर आपण जे बनवू शकता ते सिलिकाचे अरूप रूप असेल. तर, आपण येथे चकरा काढू. आह, पुढच्या व्याख्यानात आपण क्रिस्टलीय घनपदार्थांचे उर्वरित प्रकार पाहतो.